Matériaux de spin pour des photorécepteurs organiques innovants – RADPOLIMER

Ce projet fédère des techniques de pointe en spectroscopie optique, chimie et simulation numérique dans l'idée de contrôler et visualiser la dynamique spatio-temporelle des états photo-générés d'une nouvelle classe de matériaux pi-conjugués à fort potentiel pour le photovoltaïque, les dispositifs émetteurs ou encore les dispositifs permettant l’implémentation de protocoles d’information quantique en matière condensée. Les fils polydiacetylènes (PDAs) sont au centre du projet. Du fait de propriétés de polymérisation à caractère topotactique, ils possèdent des propriétés ‘naturellement’ remarquables : extension à grande échelle (centaines de nm au micron) d’un système conjugué 1D (chaîne) exempt de défauts structuraux, existence de conformères aux structures électroniques modèles et grande délocalisation excitonique (associée par exemple à une cohérence spatiale quasi-macroscopique à basse température). Dans le projet ces systèmes connaîtront une évolution majeure associant fonctionnalisation par implantation de centres radicalaires stables et organisation dans des structures tubulaires permettant de contrôler et moduler l’interaction d’échange entre les spins des radicaux et les excitons portés par les chaînes. Ainsi nous explorerons en profondeur les perspectives nouvelles qui sont ouvertes en spintronique et magnéto-optronique organiques par les modifications apportées. Les thèmes prioritaires consistent en : (i) la manipulation ‘toute-optique’, la séparation (via le mécanisme de fission ou l’application de forces magnétiques) et la stabilisation de paires d’excitons triplets intriqués en spin ; (ii) l’exploration des effets magnéto-optiques résultant des excitations collectives de spins au sein des édifices radicalaires (engendrés par la chaîne PDA porteuse) ; (iii) la définition de critères d’organisation et géométriques (distance de séparation radical-chaîne, orientation du radical) conduisant à l’intensification des phénomènes. Le projet sera conduit selon deux axes : d’un côté une investigation expérimentale basée sur des techniques au sommet de l’état de l’art sera conduite - micro-photoluminescence et absorption photo-induite en configuration de microscopie seront ici privilégiées – et permettra de résoudre la dynamique spatio-temporelle des excitons avec des résolutions ultimes (~10 fs / ~10 nm), éventuellement à l’échelle du fil PDA individuel. Ces travaux seront soutenus par des modélisations avancées de l’interaction radicaux-PDAs et des propriétés qui en résultent avec des prédictions associées à la structure des états, à leur dynamique (transfert, décohérence de spin, effets de forces magnétiques locales). Les deux approches réunies donneront accès aux ‘mécanismes de couplage’ entre photons, spins, vibrations et potentiellement magnétisme, avec à la clé, leur manipulation pour les applications en énergétique ou en information quantique.